ביופיזיקה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מנוע מולקולרי שניתן למדוד בשיטות הנהוגות בביופיזיקה

ביופיזיקהאנגלית: Biophysics) או פיזיקה ביולוגית היא ענף של מדע בין תחומי העוסק בחקר תופעות פיזיקליות בייצורים חיים ובהפעלת כלים מתחום הפיזיקה, המתמטיקה, הכימיה ומדעי המחשב לחקר מערכות ביולוגיות. לאחרונה, פותחו שיטות ביופיזיקליות המשלבות גם ננוטכנולוגיה, כמו גם שיטות המאפשרות לחקור מולקולות בודדות.

התפתחות הביופיזיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבנה ה- DNA

העיסוק בביופיזיקה החל כבר בתקופה מוקדמת בהתפתחות המדע. ניתן לציין כדוגמה את הניסוי המפורסם של גלוונימאה ה-18) בו הראה שאופן פעולת מערכת העצבים מבוסס על תופעות חשמליות. באותה תקופה לא הייתה הבחנה כה מוגדרת בין תחומי המדע השונים. עם התפתחות המדע והתמקצעות המדענים, גברה ההתבדלות בין התחומים. הביולוגיה, החוקרת מערכות מורכבות ומסובכות ביותר, התפתחה לכיוון של מדע תיאורי עם חשיבות רבה לפרטים. הפיזיקה, לעומת זאת, התפתחה לכיוון כמותי יותר, תוך שימוש במודלים פשוטים שנועדו לחקור את העקרונות הבסיסיים של הטבע ומבלי להיכנס תמיד לפרטים.

בסביבות אמצע המאה ה-20 גברה ההכרה כי נתק זה בין תחומי המדע אינו בריא, וכי הביולוגיה יכולה להרוויח רבות מיישום שיטות פיזיקליות בתחום הביולוגיה. פיזיקאים רבים (וגם מדענים אחרים) סברו שהחסרונות העיקריים בשיטת המחקר הביולוגית הם עיסוק מופרז בפרטים (מרוב עצים לא רואים את היער) וחוסר שימוש במודלים מתמטיים ובשיטות מחקר כמותניות. אי לכך החלו פיזיקאים (וגם מדענים אחרים) לעסוק במחקר ביולוגי, הן בניסוי והן בתאוריה, תוך שימוש בכלים שהכירו מתחומם המקורי.

גילוי מבנה ה-DNA מהווה דוגמה מובהקת לשימוש בשיטות פיזיקליות להבנת המערכות הביולוגיות. מבנה ה-DNA פוענח על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק שנעזרו גם בצילום 51 שבצעה רוזלינד פרנקלין בעזרת קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. טכנולוגיה זה שימשה, ומשמשת גם כיום, לפענוח המבנה האטומי של חומרים ביולוגיים. למעשה, אין כמעט התפתחות ביולוגית שאינה קשורה בפיתוח פיזיקלי. דוגמה נוספת לכך היא השימוש הרב שנעשה במיקרוסקופ אופטי ומיקרוסקופ אלקטרוני. רוברט הוק שהיה מגדולי המדענים פיתח את אחד מהמיקרוסקופים האופטיים הראשונים ובעזרתו גילה כי הרקמה הביולוגית מורכבת מתאים, והוא היה זה שלמעשה טבע את השם תא חי בספרו מיקרוגרפיה.

מבנה תא עצב‏

מודל הודג'קין-הקסלי נחשב לגולת הכותרת של תקופת הביופיזיקה הקלאסית. המודל מתאר את התגובה החשמלית של תאי עצב ומסביר את אופן היווצרותם של דחפים עצביים, עליהם מתבססת התקשורת העצבית. המודל פורסם בשנת 1952 על ידי אלן הודג'קין ואנדרו הקסלי, על יסוד מחקר שביצעו על תכונותיהם החשמליות של סיבים עצביים בדיונונים. עבודה זו זיכתה את השניים בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1963.

מעבר הפיזיקאים לליבת המחקר הביולוגי גברה בסוף המאה ה-20 וכיום ברוב האוניברסיטאות ישנם חוקרים העוסקים בביופיזיקה. לרוב לא קיימת מחלקה מיוחדת לביופיזיקה, אלא החוקרים משולבים במחלקות אחרות בהתאם לתחום התמחותם. בישראל יש מסלול ללמודי ביופיזיקה באוניברסיטת בר-אילן. באוניברסיטת תל אביב קיים מסלול משולב בפיזיקה ובמדעי החיים. כמו כן, הפקולטה לפיזיקה של מכון ויצמן מעניקה תואר מוסמך בפיזיקה ביולוגית.

תחומי משנה בביופיזיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבנה החלבון מיוגלובין (Myoglobin) שהיה החלבון הראשון שמבנהו פוענח על ידי שימוש בפיזור קרני-X

הביופיזיקה עוסקת בנושאים רבים ומגוונים, ביניהם ניתן למנות את הנושאים הבאים:

היסודות התאורטיים של הביופיזיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

דוגמה להשוואת ריכוזים עקב דיפוזיה הנובעת מתנועה אקראית

המערכות הביולוגיות מאופינות בהיותן מבוססות על תמיסות בסביבה מימית. כל מערכת מורכבות בדרך כלל ממספר רב של חלקיקים, ולכן הטיפול הפיזיקלי במערכות אלו דורש בדרך כלל שימוש בשיקולים סטטיסטיים. בנוסף, המערכות מאופיינות בכך שתחומי האנרגיה המעניינים תואמים לאנרגיה התרמית בטמפרטורת החדר. בטמפרטורות וברמות אנרגיה אלו, השיקולים הקוונטים בדרך כלל אינם משמעותיים. בין הנושאים העיקריים המהוים את הבסיס לפיזיקה של מערכות ביולוגיות ניתן למנות:

  1. תנועה אקראית ומשוואות הדיפוזיה
  2. משוואת לנגוין המהווה הרחבה לחוק שני של ניוטון לתנועת חלקיק בתמיסה
  3. מכניקה סטטיסטית וחוקי התרמודינמיקה
  4. הידרודינמיקה ומשוואות נאוויה-סטוקס המתארות את תנועתו של נוזל בעל צמיגות
  5. משוואת פואסון-בולצמן המתארת את האינטרקציה החשמלית בין מולקולות הנמצאות בתמיסה יונית

שיטות נסיוניות בביופיזיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

חוד המחט המשמשת לסריקת הדגם במיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM)
דגם של המנוע המולקולרי הסיבובי המניע את השוטון

כפי שתואר למעלה, שיטות המחקר המשלבות ידע פיזיקלי ומשמשות למחקר של מערכות ביולוגיות התפתחו מאז ומתמיד ותרמו רבות להבנה הביולוגית. שיטות רבות מתפתחות גם היום, ולמעשה, כל שיטה פיזיקלית חדשנית מוצאת במהרה יישום גם לחקר מערכות ביולוגיות. הרשימה הבאה מפרטת את השיטות השימושיות ביותר:

  1. מיקרוסקופיה אופטית
    1. מיקרוסקופיה פלואורוסנטית
    2. דימות זמן החיים של הפלורוסנסיה (Fluorescence lifetime imaging, FLIM)
    3. מיקרוסקופיה של שני פוטונים (Two photon microscopy)
  1. מיקרוסקופיה אלקטרונית
  2. מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic force microscope, AFM)
  3. שיטות מדידה ברמת המולקולה הבודדת
    1. תנועת חלקיק קשור (Tethered particle motion, TPM)
    2. מלקחיים מגנטיות (Magnetic tweezers)
    3. מלקחיים אופטיות (Optical tweezers)
  4. מיקרו- וננו-זרימה
  5. שיטות מיקרוסקופיות למדידת תאים חיים
    1. ספקטרוסקופיה של קורלציה פלואורוסנטית (Fluorescence correlation spectroscopy, FCS)
    2. חזרת הפלורוסנסיה לאחר הלבנתה (Fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)
  6. אלקטרופיזיולוגיה (Electrophysiology)
  7. העברת אנרגיה רזונטיבית פלואורוסנטית (Förster resonance energy transfer, FRET)

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. Philip C. Nelson (2007). Biological Physics, Energy, Information, Life. W.H. Freeman
  2. Howard C. Berg, Random walks in Biology. Princeton University Press
  3. Rob Phillips, Jane Kondev, Julie Theriot, Physical Biology of the Cell. Gerland Science
  4. Ken A. Dill, S. Bromberg, Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry & Biology. Gerland Science

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

‏‏‏